JP2008300098A - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、内部抵抗を低減させ、高出力化したリチウム二次電池を提供することを主目的とするものである。
【解決手段】本発明は、正極集電体と、上記正極集電体上に形成され、正極活物質を含有する正極層と、負極集電体と、上記負極集電体上に形成され、負極活物質を含有する負極層と、上記正極層および上記負極層の間に配置されたセパレータと、上記正極層、上記負極層、および上記セパレータに充填されたリチウム塩を含有する電解質と、を有するリチウム二次電池であって、上記セパレータ中に、リチウムイオン伝導性向上材が充填され、上記リチウムイオン伝導性向上材が、メソポーラスシリカと、上記メソポーラスシリカ上に担時され、上記メソポーラスシリカよりも酸性度の高い、リチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物と、からなることを特徴とするリチウム二次電池を提供することにより、上記課題を解決する。
【選択図】図1A main object of the present invention is to provide a lithium secondary battery with reduced internal resistance and higher output.
The present invention provides a positive electrode current collector, a positive electrode layer formed on the positive electrode current collector, containing a positive electrode active material, a negative electrode current collector, and the negative electrode current collector. A negative electrode layer containing a negative electrode active material; a separator disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer; and an electrolyte containing a lithium salt filled in the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the separator. A lithium secondary battery having a lithium ion conductivity improver filled in the separator, the lithium ion conductivity improver being supported on the mesoporous silica and the mesoporous silica, from the mesoporous silica A lithium secondary battery characterized by comprising a lithium ion conductive group or a lithium ion conductive metal oxide having high acidity. Resolve.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、内部抵抗を低減させ、高出力化したリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery with reduced internal resistance and higher output.
パソコン、ビデオカメラ、携帯電話等の小型化に伴い、情報関連機器、通信機器の分野では、これらの機器に用いる電源として、高エネルギー密度であるという理由から、リチウム二次電池が実用化され広く普及するにいたっている。また一方、自動車の分野においても、環境問題、資源問題から電気自動車の開発が急がれており、この電気自動車用の電源としても、リチウム二次電池が検討されている。特に、電気自動車用電源としてリチウム二次電池を用いて実用化を図る場合、現状のリチウム二次電池では出力が低いため、リチウム二次電池の高出力化が必要とされている。 With the miniaturization of personal computers, video cameras, mobile phones, etc., in the fields of information-related equipment and communication equipment, lithium secondary batteries have been put into practical use because of their high energy density as the power source used for these equipment. It is becoming popular. On the other hand, in the field of automobiles, the development of electric vehicles has been urgently caused by environmental problems and resource problems, and lithium secondary batteries have been studied as power sources for the electric vehicles. In particular, when a lithium secondary battery is put into practical use as a power source for an electric vehicle, the output of the current lithium secondary battery is low, so that the output of the lithium secondary battery needs to be increased.
例えば、特許文献1においては、ナノサイズの細孔を有するメソポーラスシリカを正極、負極、およびセパレータのいずれかの部位に添加することで、細孔内に含有された電解質の凝固点降下がおこり、低温特性が向上することが開示されている。しかしながら、酸処理していないメソポーラスシリカを用いているため、メソポーラスシリカの酸性度が小さく、酸性度向上によりリチウムイオンの伝導性が向上する現象を利用することができず、電池内部抵抗を充分に低減することは困難であった。 For example, in Patent Document 1, by adding mesoporous silica having nano-sized pores to any part of the positive electrode, the negative electrode, and the separator, the freezing point of the electrolyte contained in the pores decreases, It is disclosed that the characteristics are improved. However, since acid-treated mesoporous silica is used, the acidity of mesoporous silica is small, and the phenomenon that the conductivity of lithium ions is improved by improving the acidity cannot be used. It was difficult to reduce.
また、特許文献2においては、表面が電解液中でマイナスまたはプラスのどちらかに帯電していることを特徴とするセパレータが開示されている。これは、セパレータ表面に表面電位を持たせることにより、セパレータ近傍の電解液の電離を大きくし、リチウムイオン伝導性を向上させるものである。また、高い表面電位を有するセパレータを得る方法としては、具体的には、無機酸化物微粒子をセパレータにコーティングする方法が開示されている。しかしながら、このような無機酸化物微粒子を添加しても、充分にリチウムイオン伝導性を向上させることはできず、電池内部抵抗を低減することは困難であった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、内部抵抗を低減させ、高出力化したリチウム二次電池を提供することを主目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and a main object of the present invention is to provide a lithium secondary battery with reduced internal resistance and higher output.
上記目的を達成するために、本発明においては、正極集電体と、上記正極集電体上に形成され、正極活物質を含有する正極層と、負極集電体と、上記負極集電体上に形成され、負極活物質を含有する負極層と、上記正極層および上記負極層の間に配置されたセパレータと、上記正極層、上記負極層、および上記セパレータに充填されたリチウム塩を含有する電解質と、を有するリチウム二次電池であって、上記セパレータ中に、リチウムイオン伝導性向上材が充填され、上記リチウムイオン伝導性向上材が、メソポーラスシリカと、上記メソポーラスシリカ上に担時され、上記メソポーラスシリカよりも酸性度の高い、リチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物と、からなることを特徴とするリチウム二次電池を提供する。 In order to achieve the above object, in the present invention, a positive electrode current collector, a positive electrode layer formed on the positive electrode current collector and containing a positive electrode active material, a negative electrode current collector, and the negative electrode current collector A negative electrode layer formed thereon and containing a negative electrode active material, a separator disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, and the positive electrode layer, the negative electrode layer, and a lithium salt filled in the separator A lithium secondary battery having the electrolyte, wherein the separator is filled with a lithium ion conductivity improver, and the lithium ion conductivity improver is loaded on the mesoporous silica and the mesoporous silica. And a lithium ion conductive group or a lithium ion conductive metal oxide having a higher acidity than the mesoporous silica. .
本発明によれば、表面酸性度の高い、リチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物表面でリチウムイオンの伝導性が高くなるため、リチウム二次電池の内部抵抗を充分低減することができ、高出力化できる。また、メソポーラスシリカを用いることにより、電解質との接触面積が大きくなるため、より効果的にリチウム二次電池の内部抵抗の低減、高出力化を図ることができる。 According to the present invention, since the lithium ion conductivity is increased on the surface of the lithium ion conductive group or the lithium ion conductive metal oxide having a high surface acidity, the internal resistance of the lithium secondary battery can be sufficiently reduced. And high output. Moreover, since the contact area with the electrolyte is increased by using mesoporous silica, the internal resistance of the lithium secondary battery can be more effectively reduced and the output can be increased.
上記発明においては、上記リチウムイオン伝導性基が、スルホン酸基(−SO3H)であることが好ましい。表面酸性度か高く、リチウムイオン伝導性に優れているからである。
In the above invention, the lithium ion-conducting group is preferably a sulfonic acid group (
上記発明においては、上記リチウムイオン伝導性金属酸化物が、酸化タングステンであることが好ましい。表面酸性度が高く、リチウムイオン伝導性に優れているからである。 In the said invention, it is preferable that the said lithium ion conductive metal oxide is a tungsten oxide. This is because the surface acidity is high and the lithium ion conductivity is excellent.
本発明においては、内部抵抗を低減させ、高出力化したリチウム二次電池を得ることができるという効果を奏する。 In the present invention, there is an effect that it is possible to obtain a lithium secondary battery with reduced internal resistance and higher output.
本発明のリチウム二次電池について、以下詳細に説明する。
本発明のリチウム二次電池は、正極集電体と、上記正極集電体上に形成され、正極活物質を含有する正極層と、負極集電体と、上記負極集電体上に形成され、負極活物質を含有する負極層と、上記正極層および上記負極層の間に配置されたセパレータと、上記正極層、上記負極層、および上記セパレータに充填されたリチウム塩を含有する電解質と、を有するリチウム二次電池であって、上記セパレータ中に、リチウムイオン伝導性向上材が充填され、上記リチウムイオン伝導性向上材が、メソポーラスシリカと、上記メソポーラスシリカ上に担時され、上記メソポーラスシリカよりも酸性度の高い、リチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物と、からなることを特徴とするものである。
The lithium secondary battery of the present invention will be described in detail below.
The lithium secondary battery of the present invention is formed on the positive electrode current collector, the positive electrode current collector, the positive electrode layer containing the positive electrode active material, the negative electrode current collector, and the negative electrode current collector. A negative electrode layer containing a negative electrode active material, a separator disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer, an electrolyte containing a lithium salt filled in the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the separator; A lithium ion conductivity improving material filled in the separator, the lithium ion conductivity improving material being supported on the mesoporous silica and the mesoporous silica, and the mesoporous silica And a lithium ion conductive group or a lithium ion conductive metal oxide having higher acidity.
本発明によれば、メソポーラスシリカ上に、上記メソポーラスシリカよりも酸性度の高いリチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物を担持させることにより、リチウムイオンの伝導性を向上させることができ、リチウム二次電池の内部抵抗を充分低減して、高出力化できる。また、メソポーラスシリカ上に、酸性度の高い官能基または金属酸化物を担持させるので、電解質中に存在するリチウムイオンとの接触面積が大きくすることができ、リチウムイオン伝導性を効率よく向上させることができ、リチウム二次電池の内部抵抗の低減、高出力化を図ることができるのである。 According to the present invention, the lithium ion conductivity can be improved by supporting a lithium ion conductive group or a lithium ion conductive metal oxide having higher acidity than the mesoporous silica on the mesoporous silica. The internal resistance of the lithium secondary battery can be sufficiently reduced to increase the output. In addition, since a highly acidic functional group or metal oxide is supported on mesoporous silica, the contact area with the lithium ions present in the electrolyte can be increased, and the lithium ion conductivity can be improved efficiently. Thus, the internal resistance of the lithium secondary battery can be reduced and the output can be increased.
図1は、本発明のリチウム二次電池の一例を示す概略断面図である。図1に示されるリチウム二次電池は、正極集電体1と、正極活物質2を含有する正極層3と、負極集電体4と、負極活物質5を含有する負極層6と、正極層3および負極層6の間に配置されたセパレータ7と、正極層、負極層、およびセパレータに充填されたリチウム塩を含有する電解質(図示せず)とを有し、さらに、セパレータ7が、リチウムイオン伝導性向上材8を含有するものである。
以下、本発明のリチウム二次電池について、構成ごとに説明する。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the lithium secondary battery of the present invention. A lithium secondary battery shown in FIG. 1 includes a positive electrode current collector 1, a
Hereinafter, the lithium secondary battery of this invention is demonstrated for every structure.
1.リチウムイオン伝導性向上材
まず、本発明に用いられるリチウムイオン伝導性向上材について説明する。本発明に用いられるリチウムイオン伝導性向上材は、セパレータ中に充填され、メソポーラスシリカと、上記メソポーラスシリカに担持され、上記メソポーラスシリカよりも酸性度の高い、リチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物と、からなることを特徴とするものである。
1. First, the lithium ion conductivity improving material used in the present invention will be described. The lithium ion conductivity improver used in the present invention is filled in a separator, supported on mesoporous silica and the mesoporous silica, and has a higher acidity than the mesoporous silica, a lithium ion conductive group or lithium ion conductivity. And a metal oxide.
上記リチウムイオン伝導性向上材は、メソポーラスシリカ上に、メソポーラスシリカよりも酸性度の高いリチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物を担持させることにより、効果的にリチウムイオンの伝導性を向上させることができる。さらに、メソポーラスシリカ上に、酸性度の高い官能基または金属酸化物を担持させるので、電解質中に存在するリチウムイオンとの接触面積が大きくすることができ、リチウムイオン伝導性を効率よく向上させることができる。 The lithium ion conductivity improver effectively improves lithium ion conductivity by supporting a lithium ion conductive group or lithium ion conductive metal oxide having higher acidity than mesoporous silica on mesoporous silica. Can be improved. Furthermore, since functional groups or metal oxides with high acidity are supported on mesoporous silica, the contact area with the lithium ions present in the electrolyte can be increased, and lithium ion conductivity can be improved efficiently. Can do.
図2は、本発明に用いられるリチウムイオン伝導性向上材の一例を示す説明図である。図2(a)に示されるリチウムイオン伝導性向上材は、メソポーラスシリカと、メソポーラスシリカ上に担持され、メソポーラスシリカよりも酸性度の高いリチウムイオン伝導性基であるスルホン酸基(SO3H)と、を有するものである。一方、図2(b)に示されるリチウムイオン伝導性向上材は、メソポーラスシリカと、メソポーラスシリカ上に担持され、メソポーラスシリカよりも酸性度の高いリチウムイオン伝導性金属酸化物である酸化タングステン(VI)(化学式:WO3)と、を有するものである。 FIG. 2 is an explanatory view showing an example of a lithium ion conductivity improving material used in the present invention. The lithium ion conductivity improving material shown in FIG. 2 (a) is mesoporous silica and a sulfonic acid group (SO 3 H) which is supported on mesoporous silica and is a lithium ion conductive group having higher acidity than mesoporous silica. And. On the other hand, the lithium ion conductivity improving material shown in FIG. 2B is mesoporous silica and tungsten oxide (VI) which is supported on mesoporous silica and is a lithium ion conductive metal oxide having higher acidity than mesoporous silica. ) (Chemical formula: WO 3 ).
本発明は、酸性度の高い物質表面でリチウムイオンの伝導性が高くなる現象を利用したものである。すなわち、メソポーラスシリカと、メソポーラスシリカよりも酸性度の高い、リチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物と、を有するリチウムイオン伝導性向上材を、セパレータ中に添加することにより、リチウムイオン伝導性の向上を図るものである。 The present invention utilizes the phenomenon that the conductivity of lithium ions increases on the surface of a highly acidic substance. That is, by adding a lithium ion conductivity improver having mesoporous silica and a lithium ion conductive group or lithium ion conductive metal oxide having higher acidity than mesoporous silica to the lithium ion, It is intended to improve conductivity.
リチウムイオン伝導性基がリチウムイオン伝導性を向上させる理由は、明確には解明されていないが、スルホン酸基等のプロトン供与能力を持つブレンステッド酸が多数存在することにより、例えば水系溶媒下で水分子やスルホン酸基を介してGrotthus機構によりプロトンがホッピング伝導するのと同様の現象が、電解質に用いられる非水溶媒と、リチウムイオン伝導性基との近傍において起こっていると推測される。一方、(表面)酸性度の高い金属酸化物がリチウムイオン伝導性を向上させる理由は、明確には解明されていない。 The reason why the lithium ion conductive group improves the lithium ion conductivity has not been clearly clarified, but the presence of a large number of Bronsted acids having proton donating ability such as sulfonic acid groups, for example, in an aqueous solvent. It is presumed that a phenomenon similar to proton hopping conduction by the Grottus mechanism via water molecules or sulfonic acid groups occurs in the vicinity of the non-aqueous solvent used for the electrolyte and the lithium ion conductive group. On the other hand, the reason why a metal oxide with high (surface) acidity improves lithium ion conductivity has not been clearly elucidated.
本発明において、リチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物は、メソポーラスシリカよりも高い酸性度を有する。この酸性度の差としては、特に限定されるものではないが、PZC値で、例えば、0.1以上、中でも0.5以上の範囲内、特に1.0以上の範囲内であることが好ましい。本発明において、リチウムイオン伝導性基、リチウムイオン伝導性金属酸化物およびメソポーラスシリカの酸性度を決定する方法としては、ゼータ電位の測定により等電点(PZC)を求めることにより決定する方法、また、下記文献(1)、(2)に記載される方法により決定する方法等を挙げることができる。
文献(1):講談社、超強酸・超強塩基、p4−7
文献(2):産業図書、酸塩基触媒、p159−177
以下、本発明に用いられるリチウムイオン伝導性向上材について、構成ごとに説明する。
In the present invention, the lithium ion conductive group or the lithium ion conductive metal oxide has a higher acidity than mesoporous silica. The difference in acidity is not particularly limited, but is preferably a PZC value, for example, 0.1 or more, particularly 0.5 or more, and particularly 1.0 or more. . In the present invention, the acidity of the lithium ion conductive group, lithium ion conductive metal oxide and mesoporous silica can be determined by determining the isoelectric point (PZC) by measuring the zeta potential, The method of determining by the method described in following literature (1), (2), etc. can be mentioned.
Reference (1): Kodansha, super strong acid / super strong base, p4-7
Reference (2): Industrial books, acid-base catalysts, p159-177
Hereinafter, the lithium ion conductivity improving material used in the present invention will be described for each configuration.
(1)メソポーラスシリカ
まず、本発明に用いられるメソポーラスシリカについて説明する。本発明に用いられるメソポーラスシリカは、後述するリチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物を担持するものである。
(1) Mesoporous silica First, the mesoporous silica used in the present invention will be described. The mesoporous silica used in the present invention carries a lithium ion conductive group or a lithium ion conductive metal oxide described later.
上記メソポーラスシリカの細孔の径としては、特に限定されるものではないが、例えば1nm〜10nmの範囲内、特に1.8nm〜5nmの範囲内であることが好ましい。
また、上記メソポーラスシリカの比表面積としては、例えば700m2/g以上であることが好ましい。比表面積が大きいほど、電解液との接触面積が増え、よりリチウムイオン伝導性を高めることができるからである。なお、このような比表面積は、吸着等温線からBET等温吸着式を用いてBET比表面積として算出することができる。
The diameter of the pores of the mesoporous silica is not particularly limited, but for example, it is preferably in the range of 1 nm to 10 nm, particularly in the range of 1.8 nm to 5 nm.
In addition, the specific surface area of the mesoporous silica is preferably, for example, 700 m 2 / g or more. This is because the larger the specific surface area, the larger the contact area with the electrolytic solution and the higher the lithium ion conductivity. Such a specific surface area can be calculated as a BET specific surface area from an adsorption isotherm using a BET isotherm adsorption formula.
上記メソポーラスシリカの形状としては、特に限定されるものではないが、例えば球状、楕円球等を挙げることができる。上記メソポーラスシリカの平均粒径としては、例えば0.01μm〜20μmの範囲内、特に0.01μm〜3μmの範囲内であることが好ましい。メソポーラスシリカの平均粒径が上記範囲より小さいと、メソポーラスシリカ粒子が細かくなり過ぎてハンドリング性が極端に低下する傾向にあり、他方、上記範囲より大きいと、電解質イオンの移動距離が長くなるため電池の性能が低下する傾向にあるからである。 The shape of the mesoporous silica is not particularly limited, and examples thereof include a spherical shape and an elliptical sphere. The average particle diameter of the mesoporous silica is preferably in the range of 0.01 μm to 20 μm, particularly preferably in the range of 0.01 μm to 3 μm. When the average particle size of the mesoporous silica is smaller than the above range, the mesoporous silica particles tend to be too fine and the handling property tends to be extremely lowered. On the other hand, when the average particle size is larger than the above range, the migration distance of the electrolyte ion becomes long. This is because there is a tendency for the performance of the system to decrease.
本発明においては、上記メソポーラスシリカとして、例えば、特開2005−243342号公報に記載された、ラジアル型構造を有するメソポーラスシリカを用いることができる。 In the present invention, as the mesoporous silica, for example, mesoporous silica having a radial type structure described in JP-A-2005-243342 can be used.
(2)リチウムイオン伝導性基およびリチウムイオン伝導性金属酸化物
本発明に用いられるリチウムイオン伝導性基およびリチウムイオン伝導性金属酸化物は、上記メソポーラスシリカ上に担持されるものである。
(2) Lithium ion conductive group and lithium ion conductive metal oxide The lithium ion conductive group and lithium ion conductive metal oxide used in the present invention are supported on the mesoporous silica.
上記リチウムイオン伝導性基としては、上述したメソポーラスシリカよりも高い酸性度を有するものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、スルホン酸基(−SO3H)、カルボン酸基(−COOH)および水酸基(−OH)等を挙げることができ、中でもスルホン酸基およびカルボン酸基、特にスルホン酸基が好ましい。酸性度が高く、リチウムイオン伝導性に優れているからである。 The lithium ion conductive group is not particularly limited as long as it has higher acidity than the above-described mesoporous silica, and specifically, a sulfonic acid group (—SO 3 H), a carboxylic acid Examples include a group (—COOH) and a hydroxyl group (—OH), and among them, a sulfonic acid group and a carboxylic acid group, particularly a sulfonic acid group is preferable. This is because the acidity is high and the lithium ion conductivity is excellent.
上記メソポーラスシリカに担持させる上記リチウムイオン伝導性基の担持量としては、リチウムイオン伝導性をより向上できれば特に限定されるものではないが、例えば上記スルホン酸基を担持させた場合、スルホン酸基の硫黄Sモルと、担体であるメソポーラスシリカを構成する金属元素Mモルとのモル比S/Mが具体的には0.001以上、中でも0.005〜0.3の範囲内、特に0.01〜0.1の範囲内であることが好ましい。 The amount of the lithium ion conductive group supported on the mesoporous silica is not particularly limited as long as the lithium ion conductivity can be further improved. For example, when the sulfonic acid group is supported, Specifically, the molar ratio S / M between the sulfur S mole and the metal element M mole constituting the mesoporous silica that is the carrier is 0.001 or more, particularly in the range of 0.005 to 0.3, particularly 0.01. It is preferable to be within the range of ~ 0.1.
上記リチウムイオン伝導性基を有するリチウムイオン伝導性向上材のイオン交換容量としては、特に限定されるものではない。 The ion exchange capacity of the lithium ion conductivity improving material having the lithium ion conductive group is not particularly limited.
上記リチウムイオン伝導性金属酸化物としては、上述したメソポーラスシリカよりも高い酸性度を有するものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、遷移金属酸化物を挙げることができる。上記遷移金属酸化物としては、例えば酸化タングステン(IV)(化学式:WO2)、酸化タングステン(V)(化学式:W2O5)および酸化タングステン(VI)(化学式:WO3)等の酸化タングステン;二酸化ジルコニウム(化学式:ZrO2)等の酸化ジルコニウム;二酸化モリブデン(化学式:MoO2)および三酸化モリブデン(化学式:MoO3)等の酸化モリブデン;酸化バナジウム(V)(化学式:V2O5)等の酸化バナジウム;酸化クロム(II)(化学式:CrO)、酸化クロム(III)(化学式:Cr2O3)、酸化クロム(IV)(化学式:CrO2)、酸化クロム(VI)(化学式:CrO3)等の酸化クロム等を挙げることができる。中でも、本発明においては、上記リチウムイオン伝導性金属酸化物が、酸化タングステンであることが好ましい。表面酸性度が高く、リチウムイオン伝導性に優れているからである。 The lithium ion conductive metal oxide is not particularly limited as long as it has higher acidity than the above-mentioned mesoporous silica, and specific examples include transition metal oxides. Examples of the transition metal oxide include tungsten oxides such as tungsten oxide (IV) (chemical formula: WO 2 ), tungsten oxide (V) (chemical formula: W 2 O 5 ), and tungsten oxide (VI) (chemical formula: WO 3 ). Zirconium oxide such as zirconium dioxide (chemical formula: ZrO 2 ); Molybdenum oxide such as molybdenum dioxide (chemical formula: MoO 2 ) and molybdenum trioxide (chemical formula: MoO 3 ); Vanadium oxide (V) (chemical formula: V 2 O 5 ) Such as vanadium oxide; chromium (II) oxide (chemical formula: CrO), chromium (III) oxide (chemical formula: Cr 2 O 3 ), chromium oxide (IV) (chemical formula: CrO 2 ), chromium oxide (VI) (chemical formula: And chromium oxide such as CrO 3 ). Among these, in the present invention, the lithium ion conductive metal oxide is preferably tungsten oxide. This is because the surface acidity is high and the lithium ion conductivity is excellent.
リチウムイオン伝導性向上材におけるリチウムイオン伝導性金属酸化物の含有率としては、特に限定されるものではないが、例えば0.01重量%〜30重量%の範囲内、中でも0.05重量%〜20重量%の範囲内、特に0.1重量%〜10重量%の範囲内であることが好ましい。 The content of the lithium ion conductive metal oxide in the lithium ion conductivity improver is not particularly limited, but for example, in the range of 0.01% by weight to 30% by weight, especially 0.05% by weight to It is preferable to be within the range of 20% by weight, particularly within the range of 0.1% to 10% by weight.
メソポーラスシリカの表面におけるリチウムイオン伝導性金属酸化物の被覆率としては、特に限定されるものではないが、例えば0.005%〜50%の範囲内、中でも0.025%〜30%の範囲内、特に0.05%〜20%の範囲内であることが好ましい。 The coverage of the lithium ion conductive metal oxide on the surface of the mesoporous silica is not particularly limited. For example, it is in the range of 0.005% to 50%, particularly in the range of 0.025% to 30%. In particular, it is preferably in the range of 0.05% to 20%.
(3)リチウムイオン伝導性向上材
本発明に用いられるリチウムイオン伝導性向上材は、上述したメソポーラスシリカと、上述したリチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物を有するものである。また、本発明に用いられるリチウムイオン伝導性向上材は、通常、粉末状である。
(3) Lithium ion conductivity improving material The lithium ion conductivity improving material used in the present invention has the above-described mesoporous silica and the above-described lithium ion conductive group or lithium ion conductive metal oxide. Moreover, the lithium ion conductivity improving material used in the present invention is usually in a powder form.
本発明に用いられるリチウムイオン伝導性向上材の製造方法としては、上述したリチウムイオン伝導性向上材を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。例えば、硫酸イオン(スルホン酸基)を担持するメソポーラスシリカを得る場合には、硫酸水溶液に粉末状のメソポーラスシリカを添加して、攪拌してスラリーとした後、乾燥させ粉末を得た後に、この粉末をさらに焼成する方法等を挙げることができる。また、酸化タングステン等のリチウムイオン伝導性金属酸化物を担持するメソポーラスシリカを得る場合には、ゾル−ゲル法を用いて担持させる方法等を挙げることができる。 The method for producing the lithium ion conductivity improving material used in the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the above-described lithium ion conductivity improving material. For example, when obtaining mesoporous silica carrying sulfate ions (sulfonic acid groups), powdery mesoporous silica is added to a sulfuric acid aqueous solution, stirred to form a slurry, and dried to obtain a powder. Examples thereof include a method of further firing the powder. Moreover, when obtaining mesoporous silica which carries lithium ion conductive metal oxides, such as a tungsten oxide, the method of carrying | supporting using the sol-gel method etc. can be mentioned.
2.セパレータ
次に、本発明に用いられるセパレータについて説明する。本発明に用いられるセパレータは、正極層および負極層の間に配置され、電解質を保持する機能を有し、後述する電解質と、上述したリチウムイオン伝導性向上材とが充填されたものである。
2. Next, the separator used in the present invention will be described. The separator used for this invention is arrange | positioned between a positive electrode layer and a negative electrode layer, has a function which hold | maintains electrolyte, and is filled with the electrolyte mentioned later and the lithium ion conductivity improving material mentioned above.
本発明において、セパレータにリチウムイオン伝導性向上材を充填する方法としては、特に限定されるものではないが、例えば、リチウムイオン伝導性向上材とバインダ樹脂とを用いてセパレータを形成する方法、および結着材を用いてセパレータ基材の多孔質表面にリチウムイオン伝導性向上材を固定する方法等を挙げることができる。 In the present invention, the method of filling the separator with the lithium ion conductivity improver is not particularly limited, but for example, a method of forming a separator using a lithium ion conductivity improver and a binder resin, and Examples thereof include a method of fixing a lithium ion conductivity improving material on the porous surface of the separator substrate using a binder.
リチウムイオン伝導性向上材とバインダ樹脂とを用いてセパレータを形成する方法においては、通常、リチウムイオン伝導性向上材をバインダ樹脂で固定化しセパレータとすることにより、リチウムイオン伝導性向上材を充填する。これにより、リチウムイオン伝導性向上材と、バインダ樹脂と、から構成されるセパレータが得られる。 In a method of forming a separator using a lithium ion conductivity improving material and a binder resin, the lithium ion conductivity improving material is usually filled by fixing the lithium ion conductivity improving material with a binder resin as a separator. . Thereby, the separator comprised from a lithium ion conductivity improvement material and binder resin is obtained.
上記リチウムイオン伝導性向上材については、「1.リチウムイオン伝導性向上材」に記載したものと同様であるので、ここでの記載は省略する。
上記バインダ樹脂としては、リチウムイオン伝導性向上材を固定化することができるものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、セパレータを形成するために用いられる樹脂、および結着材として用いられる樹脂等を挙げることができる。
The lithium ion conductivity improving material is the same as that described in “1. Lithium ion conductivity improving material”, and thus description thereof is omitted here.
The binder resin is not particularly limited as long as it can immobilize the lithium ion conductivity improver, and specifically, a resin used for forming a separator, and a binder Examples thereof include resins used as materials.
上記セパレータを形成するために用いられる樹脂としては、一般的なリチウム二次電池に用いられるものと同様のものを用いることができ、特に限定されるものではない。例えばポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロースおよびポリアミド等の樹脂を挙げることができる。中でも本発明においては、上記樹脂が、ポリエチレン(PE)およびポリプロピレン(PP)等のオレフィン系樹脂であることが好ましい。このような樹脂を用いた場合は、例えば、上述したリチウムイオン伝導性向上材およびバインダ樹脂を混錬、加熱溶融等して、押し出し成形することによりセパレータを得ることができる。 The resin used for forming the separator can be the same as that used for a general lithium secondary battery, and is not particularly limited. Examples thereof include resins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, and polyamide. Especially in this invention, it is preferable that the said resin is olefin resin, such as polyethylene (PE) and a polypropylene (PP). When such a resin is used, the separator can be obtained by, for example, kneading, heating and melting the above-described lithium ion conductivity improving material and binder resin and extrusion-molding.
また、このようなセパレータを形成するために用いられる樹脂を用いた場合の、得られたセパレータに含まれるリチウムイオン伝導性向上材の含有率としては、リチウムイオンの伝導性を向上させ、所望の内部抵抗を充分低減して高出力化させたリチウム二次電池を得ることができれば特に限定されるものではない。例えば30質量%〜90質量%の範囲内、中でも40質量%〜80質量%の範囲内、特に50質量%〜80質量%の範囲内であることが好ましい。上記範囲内であれば、リチウムイオンの伝導性を向上させ、所望の高出力化させたリチウム二次電池を得ることができ、さらに、折り曲げるなど、上記セパレータの可とう性を保持することができるからである。なお、得られたセパレータは、無延伸膜、一軸延伸膜および二軸延伸膜のいずれであっても良い。 In addition, when the resin used to form such a separator is used, the content of the lithium ion conductivity improver contained in the obtained separator is improved by improving the lithium ion conductivity, There is no particular limitation as long as a lithium secondary battery having a sufficiently reduced internal resistance and a high output can be obtained. For example, it is preferably in the range of 30% by mass to 90% by mass, particularly in the range of 40% by mass to 80% by mass, and particularly in the range of 50% by mass to 80% by mass. Within the above range, lithium ion conductivity can be improved, a desired high output lithium secondary battery can be obtained, and the flexibility of the separator such as bending can be maintained. Because. The obtained separator may be any of a non-stretched film, a uniaxially stretched film, and a biaxially stretched film.
一方、上記結着材として用いられる樹脂としては、一般的なリチウム二次電池に用いられるものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、ポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチレンテトラフルオロエチレン(ETFE)等のフッ素系樹脂等を挙げることができる。中でも本発明においては、ポリビニリデンフロライド(PVDF)およびポリテトラフルオロエチレン(PTFE)が好ましい。このような樹脂を用いた場合は、例えばリチウムイオン伝導性向上材と、バインダ樹脂と、溶媒とを含む溶液を用意し、その溶液を負極層上または正極層上に塗布し、乾燥させることにより、セパレータを得ることができる。 On the other hand, the resin used as the binder is not particularly limited as long as it is used for a general lithium secondary battery. Specifically, polyvinylidene fluoride (PVDF), poly Examples thereof include fluorine resins such as tetrafluoroethylene (PTFE) and ethylenetetrafluoroethylene (ETFE). Among them, in the present invention, polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE) are preferable. When such a resin is used, for example, a solution containing a lithium ion conductivity improver, a binder resin, and a solvent is prepared, and the solution is applied on the negative electrode layer or the positive electrode layer and dried. A separator can be obtained.
また、このような結着材として用いられる樹脂を用いた場合の、上記結着材と上記リチウムイオン伝導性向上材との重量比としては、リチウムイオンの伝導性を向上させ、所望の、内部抵抗を充分低減して高出力化させたリチウム二次電池を得ることができれば特に限定されるものではない。具体的には、結着材100重量部に対して、リチウムイオン伝導性向上材が例えば300重量部〜3000重量部の範囲内、中でも500重量部〜2500重量部の範囲内、特に1000重量部〜2000重量部の範囲内であることが好ましい。上記範囲内であれば、リチウムイオンの伝導性を向上させ、所望の高出力化させたリチウム二次電池を得ることができる。 Further, when the resin used as such a binder is used, the weight ratio of the binder to the lithium ion conductivity improver is to improve the lithium ion conductivity, There is no particular limitation as long as a lithium secondary battery having sufficiently high resistance and high output can be obtained. Specifically, the lithium ion conductivity improver is, for example, in the range of 300 parts by weight to 3000 parts by weight, particularly in the range of 500 parts by weight to 2500 parts by weight, particularly 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the binder. It is preferable to be within the range of ˜2000 parts by weight. If it is in the said range, the lithium secondary battery which improved the electroconductivity of lithium ion and made desired high output can be obtained.
また、結着材を用いてセパレータ基材の多孔質表面にリチウムイオン伝導性向上材を固定する方法においては、通常リチウムイオン伝導性向上材および結着材を含有する溶液を、セパレータ基材に塗布することにより、リチウムイオン伝導性向上材を充填する。これにより、セパレータ基材と、上記セパレータ基材の多孔質表面上に担持されたリチウムイオン伝導性向上材と、を有するセパレータを得ることができる。上記リチウムイオン伝導性向上材については、「1.リチウムイオン伝導性向上材」に記載したものと同様であるので、ここでの記載は省略する。また、上記結着材については、上述した結着材の材料と同様のものを挙げることができる。 Further, in the method of fixing the lithium ion conductivity improving material to the porous surface of the separator substrate using the binder, a solution containing the lithium ion conductivity improving material and the binder is usually applied to the separator substrate. By applying, a lithium ion conductivity improving material is filled. Thereby, the separator which has a separator base material and the lithium ion conductivity improvement material carry | supported on the porous surface of the said separator base material can be obtained. The lithium ion conductivity improving material is the same as that described in “1. Lithium ion conductivity improving material”, and thus description thereof is omitted here. Moreover, about the said binder, the thing similar to the material of the binder mentioned above can be mentioned.
上記セパレータ基材としては、一般的なリチウム二次電池に用いられているセパレータ基材と同様のものを用いることができ、特に限定されるものではなく、上述したセパレータを形成するために用いられる樹脂と同様のものを用いることができる。中でもポリエチレン、ポリプロピレンが好ましい。また、上記セパレータ基材は、単層構造であっても良く、複層構造であっても良い。複層構造のセパレータ基材としては、例えばPE/PPの2層構造のセパレータ基材、PP/PE/PPの3層構造のセパレータ基材等を挙げることができる。さらに、本発明においては、上記セパレータ基材が、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等であっても良い。 As said separator base material, the thing similar to the separator base material used for the general lithium secondary battery can be used, It does not specifically limit, It is used in order to form the separator mentioned above. The same resin can be used. Of these, polyethylene and polypropylene are preferred. The separator substrate may have a single layer structure or a multilayer structure. Examples of the separator base material having a multilayer structure include a separator base material having a two-layer structure of PE / PP and a separator base material having a three-layer structure of PP / PE / PP. Furthermore, in the present invention, the separator substrate may be a nonwoven fabric such as a resin nonwoven fabric or a glass fiber nonwoven fabric.
上記セパレータ基材に、リチウムイオン伝導性向上材を含有するペーストを塗布する方法としては、例えば、スプレー法、ディスペンス法、浸漬法、ブレードコート法等を挙げることができる。 Examples of a method for applying a paste containing a lithium ion conductivity improver to the separator substrate include a spray method, a dispensing method, a dipping method, a blade coating method, and the like.
3.正極層および負極層
次に、本発明に用いられる正極層および負極層について説明する。
本発明に用いられる正極層は、少なくとも正極活物質と、後述する電解質とを含有するものである。
上記正極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、LiCoO2、LiCoO4、LiMn2O4、LiNiO2、LiFePO4等を挙げることができ、中でもLiCoO2が好ましい。
3. Next, the positive electrode layer and the negative electrode layer used in the present invention will be described.
The positive electrode layer used in the present invention contains at least a positive electrode active material and an electrolyte described later.
The positive electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release lithium ions. Examples thereof include LiCoO 2 , LiCoO 4 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , and LiFePO 4. Among these, LiCoO 2 is preferable.
上記正極層は、通常、導電化材および結着材を含有する。上記導電化材としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック等を挙げることができる。上記結着材については、上記「2.セパレータ」に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する。 The positive electrode layer usually contains a conductive material and a binder. Examples of the conductive material include carbon black and acetylene black. Since the binder is the same as that described in “2. Separator”, description thereof is omitted here.
一方、本発明に用いられる負極層は、少なくとも負極活物質と、後述する電解質とを含有するものである。
上記負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出することができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、およびグラファイト等の炭素系材料を挙げることができる。中でもグラファイトが好ましい。
On the other hand, the negative electrode layer used in the present invention contains at least a negative electrode active material and an electrolyte described later.
The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can occlude and release lithium ions. For example, metal lithium, lithium alloy, metal oxide, metal sulfide, metal nitride, and graphite And carbon-based materials such as Of these, graphite is preferable.
上記負極層は、必要に応じて、導電化材および結着材を含有していても良い。導電化材および結着材については、上記正極層と同様のものを用いることができる。 The negative electrode layer may contain a conductive material and a binder as necessary. As the conductive material and the binder, the same materials as those for the positive electrode layer can be used.
4.電解質
次に、本発明に用いられる電解質について説明する。
本発明においては、上述したセパレータ、正極層、および負極層内に、通常、リチウム塩を含有する電解質を有する。
上記電解質は、具体的には、液状であっても良く、ゲル状であっても良いが、液状であることが好ましい。中でも非水電解液であることが好ましい。リチウムイオン伝導性が、より良好となるからである。上記非水電解液は、通常、リチウム塩および非水溶媒を有する。上記リチウム塩としては、一般的なリチウム二次電池に用いられるリチウム塩であれば特に限定されるものではないが、例えばLiPF6、LiBF4、LiN(CF3SO2)2、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3およびLiClO4等を挙げることができる。一方、上記非水溶媒としては、上記リチウム塩を溶解できるものであれば特に限定されるものではないが、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。本発明においては、これらの非水溶媒を一種のみ用いても良く、二種以上を混合して用いても良い。また、上記非水電解液として、常温溶融塩を用いることもできる。
4). Electrolyte Next, the electrolyte used in the present invention will be described.
In the present invention, the separator, the positive electrode layer, and the negative electrode layer described above usually have an electrolyte containing a lithium salt.
Specifically, the electrolyte may be liquid or gelled, but is preferably liquid. Among these, a nonaqueous electrolytic solution is preferable. This is because the lithium ion conductivity becomes better. The non-aqueous electrolyte usually has a lithium salt and a non-aqueous solvent. The lithium salt is not particularly limited as long as it is a lithium salt used in a general lithium secondary battery. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 and LiClO 4 . On the other hand, the non-aqueous solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the lithium salt. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxy Ethane, 1,2-diethoxyethane, acetonitrile, propionitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, etc. Can be mentioned. In the present invention, these non-aqueous solvents may be used alone or in combination of two or more. Moreover, room temperature molten salt can also be used as said non-aqueous electrolyte.
5.正極集電体および負極集電体
次に、本発明に用いられる正極集電体および負極集電体について説明する。
本発明においては、図1に例示するように、正極層の外側および負極層の外側に、それぞれ正極集電体および負極集電体が、通常、配置される。
このような正極集電体とは、上記正極層の集電を行うものである。上記正極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えばアルミニウム、SUS、ニッケル、鉄およびチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウムおよびSUSが好ましい。さらに、上記正極集電体は、緻密金属集電体であっても良く、多孔質金属集電体であっても良い。
また、上記負極集電体とは、上記負極層の集電を行うものである。上記負極集電体の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば銅、ステンレス、ニッケル等を挙げることができ、中でも銅が好ましい。さらに、上記正極集電体は、緻密金属集電体であっても良く、多孔質金属集電体であっても良い。
5. Next, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector used in the present invention will be described.
In the present invention, as illustrated in FIG. 1, a positive electrode current collector and a negative electrode current collector are usually disposed outside the positive electrode layer and the negative electrode layer, respectively.
Such a positive electrode current collector collects current from the positive electrode layer. The material of the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include aluminum, SUS, nickel, iron and titanium. Among them, aluminum and SUS are preferable. . Furthermore, the positive electrode current collector may be a dense metal current collector or a porous metal current collector.
The negative electrode current collector is a current collector for the negative electrode layer. The material for the negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has electrical conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel, nickel, and the like, among which copper is preferable. Furthermore, the positive electrode current collector may be a dense metal current collector or a porous metal current collector.
6.その他
本発明のリチウム二次電池は、通常、図1で例示されるようなリチウム二次電池を電池ケースに挿入し、その周囲を封口して作製される。上記電池ケースとしては、一般的には、金属製のものが用いられ、例えばステンレス製のもの等が挙げられる。また、本発明に用いられる電池ケースの形状としては、上述したセパレータ、正極層、負極層等を収納できるものであれば特に限定されるものではないが、具体的には、円筒型、角型、コイン型、ラミネート型等を挙げることができる。
6). Others The lithium secondary battery of the present invention is usually produced by inserting a lithium secondary battery as exemplified in FIG. 1 into a battery case and sealing the periphery thereof. As the battery case, generally, a metal case is used, for example, a stainless steel case. Further, the shape of the battery case used in the present invention is not particularly limited as long as it can accommodate the separator, the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the like described above. , Coin type, laminate type and the like.
本発明のリチウム二次電池の製造方法としては、所望の内部抵抗を低減させ、高出力化したリチウム二次電池を得ることができるものであれば、特に限定されるものではない。例えば、電池ケースとしてコインセルを用いて、負極缶に負極を載せ、上記非水電解液を負極電極上に滴下する。次に、上記セパレータをのせ、更に上記非水電解液を滴下し、正極電極をのせて正極缶を、かしめることによりリチウム二次電池を得る方法等を挙げることができる。 The method for producing a lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as a desired secondary resistance can be reduced and a high-power lithium secondary battery can be obtained. For example, using a coin cell as a battery case, a negative electrode is placed on a negative electrode can, and the non-aqueous electrolyte is dropped onto the negative electrode. Next, a method of obtaining a lithium secondary battery by placing the separator, dropping the non-aqueous electrolyte, placing a positive electrode, and caulking a positive electrode can can be exemplified.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[実験例1]
粉末状のメソポーラスシリカ(SILFAM−A型、日本化学工業(株)社製)とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを、体積比が50/1(vol/vol)で秤量し混合した。この混合物約2cm3を金型中に投入し、ペレット成形した。このとき、圧力は1t/cm2、ペレット形状はφ13mmの円柱とした。このペレットを120℃で12時間乾燥した。
次に、ペレット細孔中に充分に電解液(エチレンカーボネート(EC)およびジメチルカーボネート(DMC)を体積比率3:7で混合した混合溶液に、支持塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を濃度1mol/Lで溶解したもの)を含侵させ、SUS板で挟み、SUS板間に電解液を充填させた伝導度セルを作製した。
[Experiment 1]
Powdered mesoporous silica (SILFAM-A type, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) and polytetrafluoroethylene (PTFE) were weighed and mixed at a volume ratio of 50/1 (vol / vol). About 2 cm 3 of this mixture was put into a mold and pelletized. At this time, the pressure was 1 t / cm 2 and the pellet shape was a cylinder of φ13 mm. The pellet was dried at 120 ° C. for 12 hours.
Next, an electrolyte solution (ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) mixed sufficiently in a volume ratio of 3: 7) in the pellet pores was mixed with lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) as a supporting salt. Was dissolved at a concentration of 1 mol / L), sandwiched between SUS plates, and a conductivity cell filled with an electrolyte solution between the SUS plates was produced.
[実験例2]
メソポーラスシリカの代わりに硫酸イオン(スルホン酸基)担持メソポーラスシリカ(後述する実施例中、硫酸イオン担持メソポーラスシリカの調整に記載)を用いたこと以外は、実験例1と同様にして、伝導度セルを作製した。
[Experiment 2]
Conductivity cell in the same manner as in Experimental Example 1, except that sulfate ion (sulfonic acid group) -supported mesoporous silica (described in the adjustment of sulfate ion-supported mesoporous silica in Examples described later) was used instead of mesoporous silica. Was made.
(リチウムイオン伝導度測定)
実験例1および実験例2においては、120℃で12時間乾燥後のペレットの厚さおよび重量を測定し固体分体積比率を算出した。これから、ペレット中の細孔の体積を導出した。
次に、実験例1および実験例2で得られた伝導度セルを用いて、インピーダンス測定によりペレットのリチウムイオン(Li+)伝導度を導出した。
上記ペレット中の細孔の体積と、上記ペレットのリチウムイオン(Li+)伝導度を用いて、計算により、ペレット細孔中のリチウムイオン伝度を導出した。この結果を図3に示す。図3に示されるように、ペレット細孔中のリチウムイオン伝導度は、リチウムイオン伝導性向上材として、硫酸イオン担持メソポーラスシリカ(SiO2−SO3H)を用いた実験例2の方が、メソポーラスシリカ(SiO2)を用いた実験例1の場合より大きくなった。
(Lithium ion conductivity measurement)
In Experimental Examples 1 and 2, the thickness and weight of the pellets after drying at 120 ° C. for 12 hours were measured, and the solid content volume ratio was calculated. From this, the volume of the pores in the pellet was derived.
Next, using the conductivity cells obtained in Experimental Example 1 and Experimental Example 2, the lithium ion (Li + ) conductivity of the pellet was derived by impedance measurement.
Lithium ion conductivity in the pellet pore was derived by calculation using the volume of the pore in the pellet and the lithium ion (Li + ) conductivity of the pellet. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 3, the lithium ion conductivity in the pellet pores is higher in Experimental Example 2 using sulfate ion-supported mesoporous silica (SiO 2 —SO 3 H) as a lithium ion conductivity improver. It became larger than the case of Experimental Example 1 using mesoporous silica (SiO 2 ).
[実施例]
(硫酸イオン担持メソポーラスシリカの調整)(特開2002−216537参照)
濃硫酸(硫酸濃度96%)0.5gに蒸留水を加え、総重量100gの硫酸水溶液を調整した。この硫酸水溶液に粉末状のメソポーラスシリカ(SILFAM−A型、日本化学工業(株)社製)を20g添加し3時間攪拌して、スラリーを作製した。このスラリーを室温から5℃/分の昇温速度で100℃まで加熱し、大気雰囲気下で、100℃で3時間保持することにより水を除去した。その後、1℃/分の昇温速度で200℃まで加熱し、大気雰囲気下で、200℃で3時間保持することにより、白色の粉末を得た。この白色の粉末をさらに、1℃/分の昇温速度で500℃まで加熱し、大気雰囲気下で、500℃で3時間保持することにより、担持された硫酸分の硫黄Sモルと、担体である水酸化物および/または酸化物を構成する金属元素Mモルとのモル比S/Mが0.03である硫酸イオン担持メソポーラスシリカの白色粉末を得た。
[Example]
(Preparation of sulfate ion-supported mesoporous silica) (see JP 2002-216537 A)
Distilled water was added to 0.5 g of concentrated sulfuric acid (sulfuric acid concentration 96%) to prepare a sulfuric acid aqueous solution having a total weight of 100 g. 20 g of powdered mesoporous silica (SILFAM-A type, manufactured by Nippon Chemical Industry Co., Ltd.) was added to this aqueous sulfuric acid solution and stirred for 3 hours to prepare a slurry. This slurry was heated from room temperature to 100 ° C. at a rate of temperature increase of 5 ° C./min, and water was removed by maintaining at 100 ° C. for 3 hours in an air atmosphere. Then, the white powder was obtained by heating to 200 degreeC with the temperature increase rate of 1 degree-C / min, and hold | maintaining at 200 degreeC for 3 hours by an atmospheric condition. The white powder is further heated to 500 ° C. at a temperature rising rate of 1 ° C./min, and held at 500 ° C. for 3 hours in an air atmosphere. A white powder of sulfate ion-supported mesoporous silica having a molar ratio S / M of 0.03 to a certain hydroxide and / or metal element M constituting the oxide was obtained.
(セパレータ作製)
リチウムイオン伝導性向上材として、上記硫酸イオン担持メソポーラスシリカの調整で得られた白色粉末50重量部と、重量平均分子量140万の高密度ポリエチレン15重量部と、鉱物オイル35重量部の混合物を混錬・加熱溶融して2軸押出機により、0.1mmの膜状に成形した。次に、該無機質膜を140℃に加熱したテンター式延伸機により縦方向、横方向にそれぞれ延伸し、さらに大気雰囲気下、145℃で、15秒間の熱処理を行い、該無機質膜をトリクロロエチレン溶剤に浸漬して膜中の鉱物オイルを抽出除去して、乾燥し、膜厚25μm、高密度ポリエチレン20wt%、上記粉体80wt%からなるセパレータを作製した。
(Separator production)
As a lithium ion conductivity improver, a mixture of 50 parts by weight of white powder obtained by adjusting the above-mentioned sulfate ion-supported mesoporous silica, 15 parts by weight of high density polyethylene having a weight average molecular weight of 1.4 million, and 35 parts by weight of mineral oil was mixed. After smelting and heating and melting, it was formed into a 0.1 mm film by a twin screw extruder. Next, the inorganic film is stretched in the longitudinal direction and the transverse direction by a tenter type stretching machine heated to 140 ° C., and further subjected to heat treatment at 145 ° C. for 15 seconds in an air atmosphere. It was immersed to extract and remove the mineral oil in the film, and dried to prepare a separator having a film thickness of 25 μm, high-density polyethylene 20 wt%, and the above powder 80 wt%.
(正極作製)
結着材であるポリビニリデンフロライド(PVDF)を5g溶解した溶剤n−メチルピロリドン溶液125mL中に、正極活物質であるコバルト酸リチウム(LiCoO2)粉末85gと導電化材であるカーボンブラック10gを導入し、均一に混合するまで混錬し正極用ペーストを作製した。この正極用ペーストを厚さ15μmのAl集電体上に片面塗布し、その後、乾燥することで電極を作製した。電極目付量は6mg/cm2とした。この電極をプレスし、ペースト厚さ45μm、ペースト密度1.6g/cm3とした。この電極をφ16mmとなるように切り出し、正極を得た。
(Preparation of positive electrode)
In 125 mL of a solvent n-methylpyrrolidone solution in which 5 g of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder is dissolved, 85 g of lithium cobaltate (LiCoO 2 ) powder as a positive electrode active material and 10 g of carbon black as a conductive material. It was introduced and kneaded until uniformly mixed to prepare a positive electrode paste. This positive electrode paste was applied on one side onto a 15 μm thick Al current collector, and then dried to produce an electrode. The electrode basis weight was 6 mg / cm 2 . This electrode was pressed to a paste thickness of 45 μm and a paste density of 1.6 g / cm 3 . This electrode was cut out to have a diameter of 16 mm to obtain a positive electrode.
(負極作製)
結着材であるポリビニリデンフロライド(PVDF)を7.5g溶解した溶剤n−メチルピロリドン溶液125mL中に、負極活物質であるグラファイト粉末92.5gを導入し、均一に混合するまで混錬して負極用ペーストを作製した。この負極用ペーストを厚さ15μmのCu集電体上に片面塗布し、その後、乾燥することで電極を作製した。電極目付量は4mg/cm2とした。この電極をプレスし、ペースト厚さ20μm、ペースト密度1.2g/cm3とした。この電極をφ19mmとなるように切り出し、負極を得た。
(Anode production)
92.5 g of graphite powder as a negative electrode active material is introduced into 125 mL of a solvent n-methylpyrrolidone solution in which 7.5 g of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder is dissolved, and kneaded until uniformly mixed. Thus, a negative electrode paste was prepared. This negative electrode paste was applied on one side onto a 15 μm thick Cu current collector, and then dried to produce an electrode. The electrode basis weight was 4 mg / cm 2 . This electrode was pressed to a paste thickness of 20 μm and a paste density of 1.2 g / cm 3 . This electrode was cut out to a diameter of 19 mm to obtain a negative electrode.
(コインセル作製)
得られたセパレータ、正極および負極を用いて、CR2032型コインセルを得た。なお、電解液にはエチレンカーボネート(EC)およびジメチルカーボネート(DMC)を体積比率3:7で混合した混合溶液に、支持塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を濃度1mol/Lで溶解したものを用いた。
(Coin cell production)
A CR2032-type coin cell was obtained using the obtained separator, positive electrode and negative electrode. In addition, as a supporting salt, lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was dissolved at a concentration of 1 mol / L in a mixed solution in which ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) were mixed at a volume ratio of 3: 7. What was done was used.
[比較例]
リチウムイオン伝導性向上材として、硫酸イオン担持メソポーラスシリカの代わりに、メソポーラスシリカを用いたこと以外は、実施例と同様にしてコインセルを得た。
[Comparative example]
A coin cell was obtained in the same manner as in Example except that mesoporous silica was used instead of sulfate ion-supporting mesoporous silica as the lithium ion conductivity improving material.
[評価]
(電池抵抗測定)
実施例および比較例で得られたコインセルを用いて、Li(リチウム)イオン抵抗を測定した。Liイオン抵抗は、3.0V〜4.1Vでコンディショニング後、SOC(state of charge)60%に調整し、25℃で周波数10mHz〜100kHzにて交流インピーダンス法により測定した。得られた抵抗値を表1に示す。
[Evaluation]
(Battery resistance measurement)
Li (lithium) ion resistance was measured using the coin cell obtained by the Example and the comparative example. The Li ion resistance was conditioned at 3.0 V to 4.1 V, adjusted to 60% SOC (state of charge), and measured by an AC impedance method at 25 ° C. and a frequency of 10 mHz to 100 kHz. The obtained resistance values are shown in Table 1.
表1に示すように、実施例では、抵抗値は5.0Ωとなった。一方、比較例では、抵抗値は6.0Ωとなった。このように、リチウムイオン伝導性向上材として、硫酸イオン担持メソポーラスシリカを用いた実施例は、リチウムイオン伝導性向上材として、メソポーラスシリカを用いた比較例と比べてLiイオン抵抗は小さくなった。 As shown in Table 1, in the example, the resistance value was 5.0Ω. On the other hand, in the comparative example, the resistance value was 6.0Ω. Thus, the Example using the sulfate ion-supported mesoporous silica as the lithium ion conductivity improving material had a lower Li ion resistance than the comparative example using the mesoporous silica as the lithium ion conductivity improving material.
以上の結果から、実施例で得られたコインセルは、セパレータ中に、メソポーラスシリカと、メソポーラスシリカ上に担持され、メソポーラスシリカよりも酸性度の高い、硫酸イオンからなる硫酸イオン担時メソポーラスシリカを有することにより、リチウムイオンの伝導性がより高くなり、内部抵抗をより低減できることが明らかとなった。このように、実施例では、内部抵抗を低減させて高出力化したリチウム二次電池を得ることができた。 From the above results, the coin cell obtained in the example has mesoporous silica and mesoporous silica supported on mesoporous silica in the separator, and having mesoporous silica loaded with sulfate ions having higher acidity than mesoporous silica. As a result, it became clear that the conductivity of lithium ions is higher and the internal resistance can be further reduced. As described above, in the example, it was possible to obtain a lithium secondary battery with high output by reducing the internal resistance.
1 … 正極集電体
2 … 正極活物質
3 … 正極層
4 … 負極集電体
5 … 負極活物質
6 … 負極層
7 … セパレータ
8 … リチウムイオン伝導性向上材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (3)
前記セパレータ中に、リチウムイオン伝導性向上材が充填され、前記リチウムイオン伝導性向上材が、メソポーラスシリカと、前記メソポーラスシリカ上に担時され、前記メソポーラスシリカよりも酸性度の高い、リチウムイオン伝導性基またはリチウムイオン伝導性金属酸化物と、からなることを特徴とするリチウム二次電池。 A positive electrode current collector, a positive electrode layer formed on the positive electrode current collector and containing a positive electrode active material, a negative electrode current collector, and a negative electrode layer formed on the negative electrode current collector and containing a negative electrode active material A lithium secondary battery comprising: a separator disposed between the positive electrode layer and the negative electrode layer; and an electrolyte containing a lithium salt filled in the positive electrode layer, the negative electrode layer, and the separator. ,
The separator is filled with a lithium ion conductivity improver, the lithium ion conductivity improver is supported on mesoporous silica and the mesoporous silica, and has higher acidity than the mesoporous silica. A lithium secondary battery comprising a functional group or a lithium ion conductive metal oxide.
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